摘要：庫(kù)爾勒至鄯善輸油管道采用了常溫密閉輸送工藝及SCADA系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，是目前國(guó)內(nèi)自動(dòng)化水平領(lǐng)先的一條管道。詳細(xì)介紹了自荷蘭引進(jìn)的RZD-RMBX型減壓閥的結(jié)構(gòu)、工作原理、調(diào)節(jié)特性及運(yùn)行工況。該減壓閥首次在國(guó)內(nèi)輸油管道上用于解決大落差的難題。運(yùn)行一年多來(lái)，工作平穩(wěn)正常，效果良好。
關(guān)鍵詞：輸油管道 減壓閥
1997年7月我國(guó)首次引進(jìn)荷蘭莫克維迪(Mokveld)公司64.8 mm ANSI 600 RZD-RMBX型減壓閥，用于庫(kù)鄯輸油管道吐魯番盆地西南部落差最大(115 km內(nèi)落差達(dá)1 660 m)的覺(jué)羅塔格山至艾丁湖減壓輸油段。運(yùn)行一年多來(lái)，工作平穩(wěn)正常，效果良好。
一、減壓閥的結(jié)構(gòu)及工作原理
減壓閥是一種軸流式，由閥外體、閥內(nèi)體、閥桿、活塞桿、活塞和籠筒組成(見(jiàn)圖1)。
圖1 減壓閥結(jié)構(gòu)示意圖
1—閥外體； 2—閥內(nèi)體； 3—活塞桿； 4—閥桿； 5—活塞； 6—籠筒
1、 閥 體
閥體包括閥外體和閥內(nèi)體，是一完整的鑄造體，閥的內(nèi)外體之間有一軸向?qū)ΨQ流道，見(jiàn)圖1箭頭所示處。
2、 籠 筒
籠筒是減壓閥的關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。壁面上有許多孔洞，RZD-RMBX型減壓閥選用三層籠筒，即籠筒壁面分三層，每層按一定規(guī)律分布有許多孔洞，三層壁面按一定的要求組合為一體(見(jiàn)圖2)。
圖2 籠筒示意圖
3、 活塞桿和閥桿
活塞桿與閥桿構(gòu)成一個(gè)90°的角式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，活塞借助此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌內(nèi)沿閥門的中心線運(yùn)動(dòng)，活塞桿與閥桿上的45°的齒條相互耦合，閥桿上下傳動(dòng)，帶動(dòng)活塞桿及活塞在全行程上前后運(yùn)動(dòng)�；钊亩嗣嫔暇鶆蚍植加锌锥�(見(jiàn)圖1)，以使活塞內(nèi)外壓力平衡，前后運(yùn)動(dòng)時(shí)不受軸向壓力的影響。
4、 工作原理
減壓閥是活塞型閥門，活塞在籠筒內(nèi)被導(dǎo)引，節(jié)流發(fā)生在活塞邊緣與籠筒的孔口之間，油流來(lái)自籠筒外，因此在籠筒層孔內(nèi)油流速度很高，籠筒選用的材質(zhì)高度抗腐蝕與磨蝕。減壓閥有獲專利的密封系統(tǒng)，主密封圈位于籠筒的最前端，活塞在全行程上被導(dǎo)引，當(dāng)被推動(dòng)穿過(guò)主密封圈時(shí)，閥門前后的差壓強(qiáng)迫主密封圈緊貼活塞壁而緊密關(guān)閉閥門�；钊ㄟ^(guò)活塞桿的導(dǎo)引在籠筒內(nèi)前后運(yùn)動(dòng)，閥桿借助它與活塞桿上的45°的齒條傳動(dòng)活塞桿，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥桿向上時(shí)，活塞向后移動(dòng)，開(kāi)大閥門；當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥桿向下時(shí)，活塞向前移動(dòng)，關(guān)小閥門。
減壓閥采用了帶氣動(dòng)閥門定位器的活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣源裝置給執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供了一定壓力的壓縮空氣，電／氣轉(zhuǎn)換器把從控制室來(lái)的4～20 mA DC信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.02～0.1 MPa的標(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)信號(hào)，傳輸信號(hào)為電信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)操作為氣動(dòng)信號(hào)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直線位移輸出，通過(guò)推桿帶動(dòng)閥桿上下移動(dòng)，從而使閥門開(kāi)度在全行程上變化。
5、 性能特點(diǎn)
軸向?qū)ΨQ流道。閥體采用了軸向?qū)ΨQ流道，完全避免了優(yōu)先流和不必要的流向改變，使噪音和紊流趨勢(shì)明顯降低。
氣密級(jí)專利密封系統(tǒng)。減壓閥具有獲專利的密封系統(tǒng)，即使在最惡劣的工作條件下，也能在全壓力范圍內(nèi)保證關(guān)斷嚴(yán)密。
壓力平衡。由于減壓閥裝配了壓力平衡活塞，使得操作活塞的軸向力與閥門兩端的壓差無(wú)關(guān)，因此使用較小的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就能達(dá)到快動(dòng)的目的。
二、調(diào)節(jié)特性
減壓閥的調(diào)節(jié)特性是由閥內(nèi)部件的結(jié)構(gòu)決定的，所謂調(diào)節(jié)特性是指流過(guò)閥門介質(zhì)的相對(duì)流通能力與閥門相對(duì)開(kāi)度的關(guān)系，相對(duì)流通能力是閥門某一開(kāi)度時(shí)流通能力與全開(kāi)時(shí)流通能力之比，相對(duì)開(kāi)度是閥門某一開(kāi)度與全開(kāi)度之比〔1〕。減壓閥的調(diào)節(jié)特性如圖3所示。
從圖3中可以看出，減壓閥具有良好的線性調(diào)節(jié)特性，最小流量時(shí)開(kāi)度約在10%處，這一點(diǎn)使得閥門接近關(guān)閉時(shí)工作緩和平穩(wěn)，確保關(guān)斷嚴(yán)密。在正常的可調(diào)范圍內(nèi)流量變化與閥門開(kāi)度成線性關(guān)系。
圖3 減壓閥特性曲線
三、減壓閥在管道中的調(diào)節(jié)原理
庫(kù)鄯輸油管道使用了兩個(gè)減壓閥，并聯(lián)安裝在覺(jué)羅塔格減壓站，其中主閥PV1001起主要調(diào)節(jié)作用，副閥PV1002起備用調(diào)節(jié)作用，庫(kù)鄯輸油管道一期工程水力坡降線示意圖如圖4所示。
圖4 庫(kù)鄯輸油管道一期工程水力坡降線示意圖
從圖4中可以看出減壓閥的主要作用是。
(1)在減壓站通過(guò)減壓閥節(jié)流降壓，消耗掉管道最高點(diǎn)至末站進(jìn)站間的多余位能(P2－P3)。
(2)通過(guò)減壓閥控制減壓站上游管道的壓力，保證高點(diǎn)正壓運(yùn)行，并避免高點(diǎn)至減壓站管道內(nèi)出現(xiàn)不滿流現(xiàn)象。
(3)全線停運(yùn)時(shí)，通過(guò)減壓閥的嚴(yán)密關(guān)斷，防止減壓站上游出現(xiàn)不利于再啟動(dòng)的空管現(xiàn)象。
圖4中高點(diǎn)與減壓站處由伯努利方程得到簡(jiǎn)化后的穩(wěn)定流的能量方程〔2〕：
即 P2＝P1＋γ（Z1－Z2）-γ.hf
由列賓宗公式得：
（1）
式中 Z1——高點(diǎn)高程，m；
Z2——減壓站高程，m；
P1——高點(diǎn)壓力，Pa；
P2——減壓站進(jìn)站壓力，Pa；
Q——管道內(nèi)原油流量，m3／s；
d——管道內(nèi)徑，m；
L——高點(diǎn)至減壓站間的管道長(zhǎng)度，m；
γ——油品相對(duì)密度，kg／m3；
ν——油品運(yùn)動(dòng)粘度，m2／s；
β——流態(tài)系數(shù)，取0.024 6 s2／m。
其中Z1、Z2、d、L、β、γ、ν為已知，為了保證高點(diǎn)正壓運(yùn)行，取P1為0.2 MPa(設(shè)計(jì)參考值)，由式(1)中可以得出：減壓站的進(jìn)站壓力P2隨Q變化而變化，Q取首站出站流量。在實(shí)際運(yùn)行中PSP（減壓站進(jìn)站壓力設(shè)定值）由SCADA系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)定的Q進(jìn)行計(jì)算得出，并從主機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳給減壓站的站控PLC，由PLC內(nèi)的PID(比例積分微分)調(diào)節(jié)程序?qū)p壓站的上游壓力P2進(jìn)行控制。
當(dāng)P2＜PSP時(shí)，PV1001關(guān)小，直至偏差e＝P2－PSP＝0為止；
當(dāng)P2＞PSP時(shí)， PV1001開(kāi)大， 直至偏差e＝0為止；
當(dāng)P2＝PSP時(shí)，PV1001保持當(dāng)前開(kāi)度。
副閥PV1002是備用，其壓力設(shè)定值為固定值，即不隨管道流量變化而變化。當(dāng)主閥PV1001故障關(guān)閉或流通能力不夠時(shí)，副閥將自動(dòng)參與調(diào)節(jié)，兩閥的壓力流量曲線如圖5所示。
圖5 壓力流量曲線圖
由圖5可看出，主閥PV1001控制上游壓力隨流量增大而減小，而副閥PV1002控制上游壓力為一定值，但兩閥出口壓力(隨流量的變化)相同。
四、減壓閥運(yùn)行工況分析
RZD-RMBX型減壓閥結(jié)構(gòu)獨(dú)特，并首次在我國(guó)輸油管道上使用，由于設(shè)計(jì)上的疏忽，減壓站進(jìn)站主流程上未裝，加之減壓閥的安裝未嚴(yán)格按照規(guī)程執(zhí)行，因此導(dǎo)致庫(kù)鄯輸油管道在輸水試運(yùn)期間減壓閥嚴(yán)重受堵，流通能力減小，后經(jīng)補(bǔ)裝，并多次沖洗減壓閥，運(yùn)行工況才逐漸趨于正常。
通過(guò)分析主閥PV1001的兩組運(yùn)行數(shù)據(jù)，得出如表1所列的結(jié)果。
第一組數(shù)據(jù)中取通過(guò)流量約490 m3／h，運(yùn)行時(shí)間為8個(gè)月，減壓閥的實(shí)際開(kāi)度從99.61%降為35.36%，經(jīng)過(guò)計(jì)算，實(shí)際開(kāi)度與理論開(kāi)度間的絕對(duì)誤差從71.61%降為7.61%。第二組數(shù)據(jù)取通過(guò)流量約643 m3／h，運(yùn)行時(shí)間為4個(gè)月，實(shí)際開(kāi)度從56.31%降為40.83%，絕對(duì)誤差從23.81%降為8.03%。從表1中可以看出，減壓閥隨著運(yùn)行時(shí)間的累計(jì)，流通能力也逐漸恢復(fù)，主要原因是減壓閥在運(yùn)行過(guò)程中，籠筒內(nèi)的堵塞物由于受到高壓原油的長(zhǎng)期沖蝕與磨蝕而逐漸減少。以1998年3月21日與1998年8月1日的兩組運(yùn)行參數(shù)(見(jiàn)表2)為依據(jù)，對(duì)減壓閥的出口壓力與流量的變化進(jìn)行比較。
表1 庫(kù)鄯輸油管道主閥運(yùn)行的兩組數(shù)據(jù)比較
| 序 號(hào) |
日期 | 閥前 壓力 (MPa) |
通過(guò) 流量 (m3／h) |
實(shí)際 開(kāi)度 % |
閥后 壓力 (MPa) |
壓差 (MPa) |
相對(duì)流 通能力 % |
理論 開(kāi)度 % |
絕對(duì) 誤差 |
| 1997-08-14 | 6.47 | 491.90 | 99.61 | 0.94 | 5.53 | 13.92 | 28.0 | 71.61 | |
| 第 | 1997-11-19 | 6.31 | 490.35 | 87.13 | 0.67 | 5.64 | 13.74 | 27.9 | 59.23 |
| 一 | 1998-02-27 | 6.30 | 490.35 | 67.18 | 0.91 | 5.39 | 14.05 | 28.2 | 38.98 |
| 組 | 1998-03-22 | 6.30 | 490.35 | 45.05 | 0.91 | 5.39 | 14.05 | 28.2 | 16.85 |
| 1998-04-13 | 6.31 | 490.35 | 35.36 | 0.91 | 5.40 | 14.04 | 28.2 | 7.16 | |
| 1998-04-29 | 6.11 | 641.95 | 56.31 | 1.25 | 4.86 | 19.38 | 32.5 | 23.81 | |
| 第 | 1998-05-30 | 6.00 | 641.17 | 51.96 | 1.28 | 4.72 | 19.64 | 32.8 | 19.16 |
| 二 | 1998-06-11 | 6.00 | 644.69 | 48.64 | 1.32 | 4.68 | 19.83 | 32.9 | 15.74 |
| 組 | 1998-07-28 | 6.03 | 643.71 | 46.20 | 1.25 | 4.78 | 19.60 | 32.7 | 13.50 |
| 1998-08-15 | 5.97 | 644.04 | 40.83 | 1.22 | 4.75 | 19.66 | 32.8 | 8.03 |
注 以上數(shù)據(jù)在計(jì)算中原油密度取0.845 6 t／m3。
表2 減壓閥運(yùn)行參數(shù)
| 通過(guò)流量 (m3／h) |
實(shí)際出口壓力 (MPa) |
通過(guò)流量 (m3／h) |
實(shí)際出口壓力 (MPa) |
| 415.92 | 0.73 | 419.30 | 0.85 |
| 470.74 | 0.88 | 470.61 | 0.93 |
| 502.47 | 0.95 | 504.79 | 0.96 |
| 553.65 | 1.00 | 561.67 | 1.12 |
| 601.47 | 1.10 | 599.63 | 1.16 |
| 649.38 | 1.13 | 640.52 | 1.26 |
| 701.73 | 1.29 | 680.69 | 1.34 |
| 740.42 | 1.40 | 707.73 | 1.38 |
| 718.76 | 1.41 |
注 左欄為1998年3月21日數(shù)據(jù)，右欄為1998年8月1日數(shù)據(jù)。
將表2中的數(shù)據(jù)用曲線表示(見(jiàn)圖6)。
通過(guò)比較可以看出，圖6中曲線1較曲線2接近曲線3，這說(shuō)明隨著運(yùn)行時(shí)間的累計(jì)，減壓閥的運(yùn)行情況將逐漸趨于正常。
根據(jù)減壓閥的運(yùn)行情況，提出以下建議。
(1)減壓閥籠筒上的孔洞很小(φ6 mm)，為保證減壓閥的正常運(yùn)行，減壓閥前應(yīng)設(shè)置合適的，并應(yīng)根據(jù)情況適時(shí)清洗。
(2)由于減壓閥在投產(chǎn)前受堵，籠筒內(nèi)的堵塞物至今仍有殘余，這就使得原油通過(guò)減壓閥的壓差相對(duì)增大，而減壓閥的允許壓差為6.0 MPa，也即當(dāng)減壓閥前后壓差為6.0 MPa時(shí)，它的通過(guò)流量已達(dá)飽和，若超過(guò)6.0 MPa，則閥內(nèi)件將會(huì)受到損害，因此運(yùn)行中的壓差都應(yīng)小于6.0 MPa。
圖6 出口壓力與流量的變化曲線
1—1998年8月1日的一組運(yùn)行情況；
2—1998年3月21日的一組運(yùn)行情況；
3—流量與出口壓力的關(guān)系曲線
(3)減壓閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，保證其氣源裝置的正常工作就是保證減壓閥的正常運(yùn)行，因此對(duì)氣源裝置應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。另外，如果能深化減壓閥的理論培訓(xùn)以及嚴(yán)格按規(guī)程施工和操作，那么其運(yùn)行優(yōu)勢(shì)將會(huì)得到更好發(fā)揮。
參考文獻(xiàn)
1， 曲慎揚(yáng)等：原油管道工程，石油工業(yè)出版社(北京)，1994。
2， 袁恩熙：工程流體力學(xué)，石油工業(yè)出版社(北京)，1986。